超精密磨床新型复合材料床身结构设计

简介

机床是加工制造业的“工作母机”。随着我国从制造大国向制造强国的过渡，对加工制造业的“工作母机”要求越来越高，传统铸铁材料已经满足不了人们对机床性能的需求，特别是在超精密加工方面。采用新型（人造花岗岩）材料代替传统铸铁材料应用于机床床身基础件的趋势越来越明显，相较于铸铁材料，人造花岗岩材料阻力大、耐腐蚀耐酸碱性好、制造过程无污染且对制造环境要求不苛刻，此外它还具有高整合性、铸件高精度、制造能耗低、价格低廉等优点。近年来，国内外学者采用碳纤维、玻璃纤维、钢纤维、钼纤维以及它们相互混合的混杂纤维来增强人造花岗岩材料作为机床基础件，相比于未添加纤维的人造花岗岩效果明显，但材料的抗冲击、抗拉和抗弯强度仍有不足。我们采用钢-聚丙烯纤维增强人造花岗岩作为机床床身基础件材料，并对床身结构进行优化，通过有限元分析法与原型铸铁床身比较其静、动态性能。

钢-聚丙烯纤维增强人造花岗岩材料是由经过预处理的钢纤维和聚丙烯纤维按照特定的比例加入“济南青”花岗岩骨料中，再加入一定比例的粘结剂系统（粘结剂、固化剂、稀释剂和增韧剂）和填料制作而成。钢纤维具有高初裂强度、高模量，结合聚丙烯纤维的高韧性和高抗冲击性，有效提高人造花岗岩材料的力学性能。此外，钢纤维还具备了耐久性、抗疲劳、成本低等优点备受业内人士青睐。因此，钢—聚丙烯纤维增强人造花岗岩机床床身具有很好的应用前景。

应用理论结合试验研究了材料的各组分配比，制作了若干组不同原料配比的SPFRAG 试件，检测了试件的力学性能，根据“平行轴定理”对床身结构进行设计，并对原型铸铁床身和新型SPFRAG床身进行静、动态特性分析。主要研究结果包括：

（1）对钢-聚丙烯纤维增强人造花岗岩材料各组分及制备工艺进行了实验研究，当混杂纤维的含量占聚合物总量的1.7%时，材料的抗压强度可以达到136.8MPa，抗弯强度达到33.4MPa。

（2）以某超精密铸铁机床床身为设计原型，对钢-聚丙烯纤维增强人造花岗岩材料床身进行结构优化设计，对两种床身的设计部分进行截面划分，得到新材料床身在质量减少38.5%的同时，其抗弯刚度增加了49.5%。

（3）对两种床身静、动态进行有限元仿真分析，结果表明：新型床身所受最大应力和应变较原型铸铁床身分别减小了71.79%和73.62%。与原型铸铁相比，新型复合材料床身的1～6 阶固有频率，均有明显提高。在X、Y、Z轴三个方向上，新型床身的最大响应振幅分别是原型铸铁床身最大响应振幅的 0.56倍、0.22 倍、0.17倍。